確定保溫隔熱油管井筒的溫度分布的方法及裝置與流程
2023-12-11 23:17:22
本發明涉及油田採油技術領域，特別涉及一種確定保溫隔熱油管井筒的溫度分布的方法及裝置。
背景技術：
油田生產過程中常常採用油管進行生產。油藏中流出的原油通過抽油泵被舉升到地面時，大量的熱量會通過油套環空、套管及水泥環散失到地層中，熱量散失一方面使原油在井筒中的溫度低於結蠟點，進而導致油井結蠟，另一方面使原油井的井筒中原油的流動性變差，進而增加抽油機載荷，增大能耗。同時，由於井口原油的溫度較低，所以在集油過程中需要進行伴熱或摻水輸送，最終影響了油井的正常生產運行。
為了降低原油從井底流到井口過程中自身溫度的損失，現有技術中有一種保溫隔熱油管，該保溫隔熱油管由油管、油管內防腐耐磨層、油管外隔熱層及隔熱層外防腐保護層組成。其中，油管內固定嵌裝一內管，在油管的中間段外壁均勻地包裹一層油管外隔熱層，並在油管外隔熱層的外壁外裹一層外防腐保護層，油管的聯接接箍上500毫米及下400毫米的兩個操作段及接箍外壁安裝固定兩個對接的半圓形隔熱保護管套。通過該結構，降低了原油從井底流到井口過程中自身溫度的損失並改善了原油在井筒中的流動性。
為了提高油井井口的溫度，需要技術人員了解油井井筒的溫度分布情況，進而使技術人員有效控制保溫隔熱油管在油井中下入的深度，然而，目前均未涉及油井井筒的溫度分布的確定方法。
技術實現要素：
為了解決現有技術的問題，本發明提供了一種確定保溫隔熱油管井筒的溫度分布的方法及裝置。所述技術方案如下：
第一方面，提供了一種確定保溫隔熱油管井筒的溫度分布的方法，所述方法包括：
確定油井井筒內井軸處溫度場的控制方程，所述控制方程包括第一公式和第二公式，所述第一公式為：
所述第二公式為：
T＝T(L，t)，
其中，所述λ1為所述油井井筒內流體的導熱係數，ρ1為所述油井井筒內流體的密度，所述x為所述油井井筒任意點徑向坐標，所述y為所述油井井筒任意點軸向坐標，所述c1為所述油井井筒內流體的熱容量，所述t為所述油井井筒內的流體從抽油泵進口被舉升至井口所需要的時間，vy為所述油井井筒內流體沿所述油井井筒向井口的流動的速度，所述T為所述油井井筒內流體的溫度，所述L為保溫隔熱油管在油井中下入的深度；
確定所述油井井筒的溫度分布模型，所述溫度分布模型包括第三公式和第四公式，所述第三公式為：
所述第四公式為：
其中，所述W為油井的日產液量，所述a為地溫梯度，所述T0為所述油井的產出液在井口處的溫度，所述B為時間的函數，所述b為地表溫度，所述e為無理數，所述π為圓周率，所述λ2為地層導熱係數，所述λ3為所述油井井筒的內半徑與套管的外半徑之間的綜合傳熱係數，所述r0為所述保溫隔熱油管本體的外半徑，所述r1為油管本體的內半徑，所述r2為所述保溫隔熱油管本體的內半徑；
採用第五公式確定所述油井井筒的內半徑與套管的外半徑之間的綜合傳熱係數，所述第五公式為：
其中，所述hf為所述油井井筒內流體與油管壁的對流換熱係數，所述λ4為所述油管壁的導熱係數，所述he為油管與套管的環空內當量對流換熱係數，所述hr為所述油管與所述套管的環空內的輻射當量對流換熱係數，所述r3為所述套管的外緣半徑，所述r4為所述套管的內緣半徑，所述r5為水泥環的厚度，所述λ5為所述套管的套管壁的導熱係數，所述λ6為所述水泥環的導熱係數；
根據所述溫度場的控制方程、所述溫度分布模型和所述綜合傳熱係數確定所述第二公式中的深度L。
第二方面，提供了一種確定保溫隔熱油管井筒的溫度分布的裝置，所述裝置包括：
確定模塊，用於確定油井井筒內井軸處溫度場的控制方程，所述控制方程包括第一公式和第二公式，所述第一公式為：
所述第二公式為：
T＝T(L，t)，
其中，所述λ1為所述油井井筒內流體的導熱係數，ρ1為所述油井井筒內流體的密度，所述x為所述油井井筒任意點徑向坐標，所述y為所述油井井筒任意點軸向坐標，所述c1為所述油井井筒內流體的熱容量，所述t為所述油井井筒內的流體從抽油泵進口被舉升至井口所需要的時間，vy為所述油井井筒內流體沿所述油井井筒向井口的流動的速度，所述T為所述油井井筒內流體的溫度，所述L為保溫隔熱油管在油井中下入的深度；
所述確定模塊，還用於確定所述油井井筒的溫度分布模型，所述溫度分布模型包括第三公式和第四公式，所述第三公式為：
所述第四公式為：
其中，所述W為油井的日產液量，所述a為地溫梯度，所述T0為所述油井的產出液在井口處的溫度，所述B為時間的函數，所述b為地表溫度，所述e為無理數，所述π為圓周率，所述λ2為地層導熱係數，所述λ3為所述油井井筒的內半徑與套管的外半徑之間的綜合傳熱係數，所述r0為所述保溫隔熱油管本體的外半徑，所述r1為油管本體的內半徑，所述r2為所述保溫隔熱油管本體的內半徑；
所述確定模塊，還用於採用第五公式確定所述油井井筒的內半徑與套管的外半徑之間的綜合傳熱係數，所述第五公式為：
其中，所述hf為所述油井井筒內流體與油管壁的對流換熱係數，所述λ4為所述油管壁的導熱係數，所述he為油管與套管的環空內當量對流換熱係數，所述hr為所述油管與所述套管的環空內的輻射當量對流換熱係數，所述r3為所述套管的外緣半徑，所述r4為所述套管的內緣半徑，所述r5為水泥環的厚度，所述λ5為所述套管的套管壁的導熱係數，所述λ6為所述水泥環的導熱係數；
所述確定模塊，還用於根據所述溫度場的控制方程、所述溫度分布模型和所述綜合傳熱係數確定所述第二公式中的深度L。
本發明提供了一種確定保溫隔熱油管井筒的溫度分布的方法及裝置，該方法通過依次確定油井井筒內井軸處溫度場的控制方程、油井井筒的溫度分布模型以及油井井筒的內半徑與套管的外半徑之間的綜合傳熱係數，再確定第二公式中的深度L，使得技術人員能夠控制保溫隔熱油管在油井中下入的深度，進而達到了提高油井井口的溫度的效果。
應當理解的是，以上的一般描述和後文的細節描述僅是示例性和解釋性的，並不能限制本發明。
附圖說明
為了更清楚地說明本發明實施例中的技術方案，下面將對實施例描述中所需要使用的附圖作簡單地介紹，顯而易見地，下面描述中的附圖僅僅是本發明的一些實施例，對於本領域普通技術人員來講，在不付出創造性勞動的前提下，還可以根據這些附圖獲得其他的附圖。
圖1是本發明實施例提供的一種確定保溫隔熱油管井筒的溫度分布的方法的流程圖；
圖2是本發明實施例提供的一種確定保溫隔熱油管井筒的溫度分布的裝置的結構示意圖。
通過上述附圖，已示出本發明明確的實施例，後文中將有更詳細的描述。這些附圖和文字描述並不是為了通過任何方式限制本發明構思的範圍，而是通過參考特定實施例為本領域技術人員說明本發明的概念。
具體實施方式
為使本發明的目的、技術方案和優點更加清楚，下面將結合附圖對本發明實施方式作進一步地詳細描述。
本發明實施例提供了一種確定保溫隔熱油管井筒的溫度分布的方法，如圖1所示，該方法包括：
步驟101、確定油井井筒內井軸處溫度場的控制方程，控制方程包括第一公式和第二公式，該第一公式為：
該第二公式為：
T＝T(L，t)，
其中，λ1為油井井筒內流體的導熱係數，ρ1為油井井筒內流體的密度，x為油井井筒任意點徑向坐標，y為油井井筒任意點軸向坐標，c1為油井井筒內流體的熱容量，t為油井井筒內的流體從抽油泵進口被舉升至井口所需要的時間，vy為油井井筒內流體沿油井井筒向井口的流動的速度，T為油井井筒內流體的溫度，L為保溫隔熱油管在油井中下入的深度。
步驟102、確定油井井筒的溫度分布模型，溫度分布模型包括第三公式和第四公式，該第三公式為：
該第四公式為：
其中，W為油井的日產液量，a為地溫梯度，T0為油井的產出液在井口處的溫度，B為時間的函數，b為地表溫度，e為無理數，π為圓周率，λ2為地層導熱係數，λ3為油井井筒的內半徑與套管的外半徑之間的綜合傳熱係數，r0為保溫隔熱油管本體的外半徑，r1為油管本體的內半徑，r2為保溫隔熱油管本體的內半徑。
步驟103、採用第五公式確定油井井筒的內半徑與套管的外半徑之間的綜合傳熱係數，該第五公式為：
其中，hf為油井井筒內流體與油管壁的對流換熱係數，λ4為油管壁的導熱係數，he為油管與套管的環空內當量對流換熱係數，hr為油管與套管的環空內的輻射當量對流換熱係數，r3為套管的外緣半徑，r4為套管的內緣半徑，r5為水泥環的厚度，λ5為套管的套管壁的導熱係數，λ6為水泥環的導熱係數。
步驟104、根據溫度場的控制方程、溫度分布模型和綜合傳熱係數確定第二公式中的深度L。
綜上所述，本發明實施例提供的確定保溫隔熱油管井筒的溫度分布的方法，該方法通過依次確定油井井筒內井軸處溫度場的控制方程、油井井筒的溫度分布模型以及油井井筒的內半徑與套管的外半徑之間的綜合傳熱係數，再確定第二公式中的深度L，使得技術人員能夠控制保溫隔熱油管在油井中下入的深度，進而達到了提高油井井口的溫度，以及節約保溫隔熱油管投資的效果。
需要說明的是，地層流體進入油井井筒後，在流體被垂直舉升的過程中，產出液和地層之間要不斷地進行熱量交換，最終達到穩定狀態。油井井筒內流體向周圍地層傳熱時，需要克服油管壁、油套環空、套管壁以及水泥環等的導熱熱阻。這些不同的導熱熱阻之間的相互串聯，形成了由井筒向地層傳熱的合傳熱係數。
具體的，保溫隔熱油管可以包括油管、5CrMo(鉻鉬鋼)內管、隔熱層、35CrMo密封套、四氟膠套以及油管接箍。
上述第一至第五公式中：
λ1可以通過差示掃描量熱法試驗確定，確定的具體過程可以參考現有技術，在此不再詳述。λ1的單位為W/(m2.℃)(瓦每(平方米·攝氏度))。
ρ1的測量過程可以參考現有技術，在此不再詳述。ρ1的單位為kg/m3(千克每立方米)。
c1的測量過程可以參考現有技術，在此不再詳述。c1的單位為J/mol.℃(焦耳每(摩爾·攝氏度)。
t與地質方案產液量有關，地質方案產液量不同，t就不同。t的單位為s(秒)。
vy與地質方案產液量有關，地質方案產液量不同，vy就不同。vy的單位為m/s(米每秒)。
T會隨著油藏深度的變化而變化。T的單位為℃。
L由地質開發方案來確定。L的單位為m。
a會隨著油藏環境變化而變化，大小可以根據鑽井資料來確定。a的單位為℃/100m(攝氏度每100米)。
T0可以根據工程技術方案來確定。T0的單位為℃。
λ2可以根據鑽井資料確定。λ2的單位為W/(m2.℃)。
r0、r1和r2為保溫隔熱油管出廠時的標準參數。r0、r1和r2的單位為m。
r3和r4為套管出廠時的標準參數。r3和r4的單位為m。
r5可以根據鑽井資料來確定。r5的單位為m。
hf、λ4、he、hr、λ5和λ6可通過試驗來確定，確定的具體過程可以參考現有技術，在此不再詳述。hf的單位為W/(m2.℃)。λ4的單位為W/(m2.℃)。he的單位為W/(m2.℃)。hr的單位為W/(m2.℃)。λ5的單位為W/(m2.℃)。λ6的單位為W/(m2.℃)。
此外，W的單位為m3/d(立方米每天)。B的單位為m。b的單位為℃。e約等於2.718281828。π約等於3.1415926。λ3的單位為W/(m2.℃)。
需要補充說明的是，現有技術中的保溫隔熱油管雖然在現場中取得了較好的應用效果，但均未涉及油井井筒的溫度分布的確定方法，這樣一來，制約著技術人員對保溫隔熱在應用上的認識。
保溫隔熱油管在油井中下入的深度對井筒的溫度分布的影響非常大，隨著保溫隔熱油管下入深度的不斷增加，井筒的溫度會不斷上升。本發明實施例提供的確定保溫隔熱油管井筒的溫度分布的方法，應用於確定保溫隔熱油管在井筒內溫度的分布規律，提高了技術人員對保溫隔熱油管節能重要性的認識。該方法依次確定油井井筒內井軸處溫度場的控制方程、油井井筒的溫度分布模型以及油井井筒的內半徑與套管的外半徑之間的綜合傳熱係數，為不同油井應用保溫隔熱油管提供了依據。該方法的效果是：釐清了保溫隔熱油管的導熱係數、保溫隔熱油管下入深度對井筒的溫度分布的影響，應用於現場30餘口油井時，井口溫度平均提高了16.4℃，達到了既提高油井井口的溫度，又節約保溫隔熱油管投資的目的。
綜上所述，本發明實施例提供的確定保溫隔熱油管井筒的溫度分布的方法，該方法通過依次確定油井井筒內井軸處溫度場的控制方程、油井井筒的溫度分布模型以及油井井筒的內半徑與套管的外半徑之間的綜合傳熱係數，再確定第二公式中的深度L，使得技術人員能夠控制保溫隔熱油管在油井中下入的深度，進而達到了提高油井井口的溫度，以及節約保溫隔熱油管投資的效果。
本發明實施例提供了一種確定保溫隔熱油管井筒的溫度分布的裝置200，如圖2所示，該裝置200包括：
確定模塊210，用於確定油井井筒內井軸處溫度場的控制方程，控制方程包括第一公式和第二公式，該第一公式為：
該第二公式為：
T＝T(L，t)，
其中，λ1為油井井筒內流體的導熱係數，ρ1為油井井筒內流體的密度，x為油井井筒任意點徑向坐標，y為油井井筒任意點軸向坐標，c1為油井井筒內流體的熱容量，t為油井井筒內的流體從抽油泵進口被舉升至井口所需要的時間，vy為油井井筒內流體沿油井井筒向井口的流動的速度，T為油井井筒內流體的溫度，L為保溫隔熱油管在油井中下入的深度；
確定模塊210，還用於確定油井井筒的溫度分布模型，溫度分布模型包括第三公式和第四公式，該第三公式為：
該第四公式為：
其中，W為油井的日產液量，a為地溫梯度，T0為油井的產出液在井口處的溫度，B為時間的函數，b為地表溫度，e為無理數，π為圓周率，λ2為地層導熱係數，λ3為油井井筒的內半徑與套管的外半徑之間的綜合傳熱係數，r0為保溫隔熱油管本體的外半徑，r1為油管本體的內半徑，r2為保溫隔熱油管本體的內半徑；
確定模塊210，還用於採用第五公式確定油井井筒的內半徑與套管的外半徑之間的綜合傳熱係數，該第五公式為：
其中，hf為油井井筒內流體與油管壁的對流換熱係數，λ4為油管壁的導熱係數，he為油管與套管的環空內當量對流換熱係數，hr為油管與套管的環空內的輻射當量對流換熱係數，r3為套管的外緣半徑，r4為套管的內緣半徑，r5為水泥環的厚度，λ5為套管的套管壁的導熱係數，λ6為水泥環的導熱係數；
確定模塊210，還用於根據溫度場的控制方程、溫度分布模型和綜合傳熱係數確定第二公式。
綜上所述，本發明實施例提供的確定保溫隔熱油管井筒的溫度分布的裝置，該裝置通過確定模塊依次確定油井井筒內井軸處溫度場的控制方程、油井井筒的溫度分布模型以及油井井筒的內半徑與套管的外半徑之間的綜合傳熱係數，再確定第二公式中的深度L，使得技術人員能夠控制保溫隔熱油管在油井中下入的深度，進而達到了提高油井井口的溫度，以及節約保溫隔熱油管投資的效果。
需要說明的是：上述實施例提供的一種確定保溫隔熱油管井筒的溫度分布的裝置在確定第二公式時，僅以上述各功能模塊的劃分進行舉例說明，實際應用中，可以根據需要而將上述功能分配由不同的功能模塊完成，即將裝置的內部結構劃分成不同的功能模塊，以完成以上描述的全部或者部分功能。另外，上述實施例提供的一種確定保溫隔熱油管井筒的溫度分布的裝置與一種確定保溫隔熱油管井筒的溫度分布的方法實施例屬於同一構思，其具體實現過程詳見方法實施例，這裡不再贅述。
本領域普通技術人員可以理解實現上述實施例的全部或部分步驟可以通過硬體來完成，也可以通過程序來指令相關的硬體完成，所述的程序可以存儲於一種計算機可讀存儲介質中，上述提到的存儲介質可以是只讀存儲器，磁碟或光碟等。
以上所述僅為本發明的較佳實施例，並不用以限制本發明，凡在本發明的精神和原則之內，所作的任何修改、等同替換、改進等，均應包含在本發明的保護範圍之內。